Тепловое воздействие на почвы при лесных пожарах

ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЧВЫ ПРИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ
Асан А.А., Шишкин В.И.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
г. Томск, Россия
e-mail: b0b91@mail.ru
Введение. Лесные пожары оказывают влияние на различные компоненты
биогеоценоза, в том числе на почвы [1-8]. В результате воздействия лесных пожаров на
почвенные горизонты образуются так называемые пирогенные почвы [5]. В таких почвах
нарушен микробиологический баланс, а также наблюдается изменение в составе органики и
ряд других негативных последствий. Цель настоящей работы – численное моделирование
теплопереноса в слоистой структуре почвы при воздействии излучения от фронта пожара.
1. Физическая постановка задачи. Слой почвы рассматривается как двухслойная
система [9], в которой могут быть выделены зоны, богатые органикой (верхний горизонт
толщиной 5 см), и глины (нижний горизонт толщиной 5 см). Теплопередача в последующие
слои в работе учитывается с помощью постановки граничных условий 3-го рода с
использованием коэффициента теплопередачи. Полагается, что передача тепла в системе
«глина – органика – воздух» осуществляется только за счет механизма теплопроводности.
Рассматривается модельная почва без привязки к конкретному типу почв. Область решения
представлена 3 слоями: глины, слоя, обогащенного органикой и воздуха над слоем. На
границе раздела слоев выставлены граничные условия 3-го рода. На границе расчетной
области задаются невозмущенные значения температуры (температуры в глубине почвы и в
воздухе соответственно на нижней и верхней границе) с учетом коэффициентов
теплопередачи и теплоотдачи. Область решения представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. – Область решения.
2. Математическая модель. В соответствии с физическими допущениями
математически процесс распространения тепла в почве описывается системой уравнений
теплопроводности [9] с соответствующими начальными и граничными условиями:
Уравнение энергии для органики:
T1
 2T1
 1  с1 
 1  2
z
z
Уравнение энергии для глины:
T
 2T
 2  с2  2  2  22
z
z
Граничные условия для уравнений :
T
T
T
Г0: 1  T  Te   1  T1 ;
Г1: 1  1  2  2 , T1  T2 ;
Г2: 1  1  q ,
z
z
z
z
где Ti, i , ci, 1 – температура, плотность, теплоемкость, теплопроводность (1 – слоя
глины, 2 – слоя органики); q – тепловой поток от фронта лесного пожара; 1 – коэффициент
теплоотдачи; z – пространственная координата; t – время.
3. Исходные данные. При численном моделировании использованы следующие
исходные данные:
кг
кг
Дж
Дж
Вт
1  1330 3 ;  2  1070 3 ; с1  801
; с2  976
; 1  0,84
;
м
м
кг  К
кг  К
мК
Вт
Вт
2  0,5
; 1  80 2
;
мК
м К
Начальные значения температуры поверхности почвы, окружающего воздуха и
почвенных слоев задавались на основе справочных данных [6]. В будущем возможно
использование более подробных математических моделей по оценке температурных
профилей в почве по вертикальной координате.
В результате теоретических исследований установлено, что лучистый тепловой поток
является одним из важных факторов передачи тепла в почву при распространении фронта
лесного пожара.
Выводы. В данной работе впервые представлена наиболее простая одномерная
математическая модель оценки влияния тепловых режимов лесных пожаров на
приповерхностные слои почвы. Следует отметить, что снижение активности ферментов
четко прослеживается в слое 0-10 см и составляет в среднем 14 %, что связано со сгоранием
гумуса и как следствие, отсутствием субстрата для жизнедеятельности микроорганизмов и
возможной денатурацией самих белковых молекул ферментов [1-5,7].
1) Девятова Т.А., Горбунова Ю.С.. Изменение ферментативной активности почв в черноземе
выщелоченном при пирогенном воздействии // Вестник Воронежского государственного
университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2012. №2. С.136-143.
2) Краснощекова Е.Н., Косов И.В., Иванова Г.А. Воздействие высоких температур на
микроартропод почв при пожарах в лиственничниках нижнего Приангарья // Хвойные бореальной
зоны. 2008. Т.XXV. №3-4. С.250-253.
3) Богданов В.В., Прокушкин А.С., Прокушкин С.Г.. Влияние низовых пожаров на подвижность
органического вещества почвы в лиственничниках криолитозоны средней Сибири // Вестник
Красноярского государственного аграрного университета. 2009. №2. С.88-93.
4) Голощапова Ю.Ю., Калиненко Н.А.. Влияние пожара на органическое вещество темно-серых
лесных почв // Омский научный вестник. 2012. №1-108. С.217-220.
5) Богородская А.В., Иванова Г.А.. Микробиологический мониторинг состояния почв после
пожаров в сосново-лиственничных насаждениях нижнего приангарья // Хвойные бореальной зоны.
2011. Т.XXVIII. №1-2. С.98-106.
6) Шульгин А.М. Климат почвы и его регулирование. Издание 2-е. Л. Гидрометеоиздат. 1972. 341 с.
7) Certini G. Effects of fire on properties of forest soils: a review. Oecologia. 2005. P.1-10.
8) Jiang Y., Zhuang Q., O'Donnell J.A. Modeling thermal dynamics of active layer soils and near-surface
permafrost using a fully coupled water and heat transport model // Journal of Geophysical Research. 2012.
V.117. №11.
9) Барановский Н.В., Тойчуев Р.М., Олалейе А.О. Математическое моделирование теплопереноса в
слое почвы при воздействии очага лесного пожара // Современные проблемы науки и образования.
2013. №4. С.317.